抛物方程方法的亚网格模型及其应用研究

该文在抛物方程非均匀网格技术的基础上,提出了抛物方程方法的亚网格模型,并给出了该亚网格模型的具体构建方法,以快速准确地求解大尺度复杂电磁环境中存在关键目标的电波传播问题。通过对存在强散射体的复杂电磁环境中电磁波的分布特性进行模拟,探讨了抛物方程亚网格技术的高效性。结果表明:与细网格相比,亚网格技术使得抛物方程的计算速度提升了4.57倍,网格空间数下降了86.64%,且较非均匀网格具有更高的计算精度。可见,抛物方程的亚网格模型能够极大地提升抛物方程的仿真效率。

抛物方程方法的非均匀网格技术研究

为了快速准确地求解大尺度区域环境中存在局部精细结构的电波传播问题,研究了抛物方程方法的非均匀网格技术.利用该技术求解了标准大气结构中不规则地形上的电波传播问题,研究了基于该技术计算传统抛物方程非整格点场值的方法.算例结果表明:非均匀网格抛物方程方法相较于均匀细网格结构,其网格空间下降达68%,计算时间减少了71%,而相对于均匀粗网格结构则具有更高的计算精度.因此,采用非均匀网格的抛物方程方法能在保证计算精度的同时,减少计算所占内存及所需时间,极大地提高了计算效率,适用于求解复杂环境中的电波传播问题.

基于JASMIN框架的抛物方程有限差分解法并行计算及其应用

抛物方程有限差分解法的网格步长严格受波长限制,在求解城市小区电波传播问题时,计算速度明显变慢,为此,基于JASMIN框架研究了抛物方程有限差分解法的并行方法,通过将同一步进面划分成多个网格片,并分配到不同的处理器进行运算,实现了抛物方程有限差分解法的并行计算。与解析解的对比验证了并行程序的正确性,同时通过实例分析了并行程序的高效性,算例表明,抛物方程有限差分解法的求解效率得到了有效的提高。最后,模拟和分析了某一电信基站天线在包含9栋规则建筑物的城市小区环境中的电磁特性,结果表明,该方法能够得到基站在空间各处的信号覆盖强弱,可以为基站选址提供参考。

抛物方程的多重非均匀网格模型及其应用

提出了抛物方程的多重非均匀网格模型,以准确求解三维空间存在多辐射源的电波传播问题。通过对不同辐射源建立不同的坐标系,并对其仿真空间采用不同的非均匀网格划分,构建了抛物方程的多重非均匀网格模型。在此基础上,实现了三维多辐射源问题的并行计算。实例仿真了空间存在四个辐射源的电波传播特性。结果表明,抛物方程的多重非均匀网格模型能够准确求解多源的空间电磁场分布特性,且在该算例中,并行技术使得抛物方程的计算速度提升了2.41倍,极大地提高了抛物方程对三维多源问题的求解效率。

Pade型双向抛物方程及其在室内电波传播问题中的应用研究

针对室内垂直墙面、家具等对电磁波后向反射较大的问题,提出了Pade型双向抛物方程,在增大抛物方程计算角度的同时提高了室内场计算的精度.利用Crank-Nicolson有限差分法推导了Pade型双向抛物方程的离散差分格式,同时,通过对室内天花板和地板采用阻抗边界条件,导出了上下边界场满足的有限差分格式,与射线跟踪法的对比验证了边界处理的正确性.采用双向抛物方程仿真了包含家具的单层单建筑物存在时室内电磁波的传播特性,结果表明,双向抛物方程的仿真结果是可靠的,其符合现实物理规律,最后基于该双向抛物方程模型模拟和分析了存在二栋双层建筑物时室内的电磁波分布特性.

基于田口算法的超宽带TEM喇叭天线及阵列的优化

田口算法作为一种全局优化算法,具有实现过程简单、收敛速度快等优点。采用田口算法与时域有限差分(FDTD)法结合的方法对超宽带TEM喇叭天线进行了优化,并把优化性能、收敛速度等与整数编码微分进化相应结果进行对比。结果表明田口算法能够寻到最优解,而且其收敛速度是整数编码微分进化收敛速度的近三倍。另外还对六元喇叭天线阵进行了优化,优化后六元阵的性能得到了很大的提高。

双向抛物方程的并行方法研究

提出了基于OpenMP(Open Multi Processing)的双向抛物方程并行方法,可快速求解多障碍物环境中的电波传播问题.分别以双刃峰环境和十五刃峰环境为例,验证了并行双向抛物方程的正确性和高效性.计算结果表明:在具有16个计算核心的计算机上,采用并行方法后,双向抛物方程的计算速度提升了8.8倍,有效地提高了仿真效率;最后,采用并行双向抛物方程模拟了实际地形中全球移动通信系统GSM(Global System for Mobile Communication)基站天线的电磁覆盖特性,数值结果表明该方法具有很好的加速效果.

基于分形的粗糙海面三维抛物方程模型及其应用

风驱海浪随机起伏变化是海面环境的典型特征之一,而较大的风浪通常会给海面无线通信带来重要的影响.传统的抛物方程(Parabolic Equationmethod,PE)模型在预测粗糙海面的电波传播时,未能充分考虑海浪的电磁散射以及阴影效应等.针对以上不足,文中基于三维抛物方程,引入动力学分形方法,对传统的抛物方程模型进行了改进研究.相比传统的Miller-Brown近似方法,改进后的预测模型能更好地反映出海浪几何特征对电磁波传播的影响.最后以舰载雷达的有效探测范围为计算背景,对粗糙海面的电波传播特性进行了仿真分析,结果表明了该模型在区域级海面环境电波预测的可行性.

基于数字地图的二维电波传播问题仿真

为快速预测二维地理环境下的电磁环境特性,应用二维抛物方程模型对电磁环境进行仿真。为了得到真实有效的地形数据,研究了从GeoTiff中抽取网格点上地理信息的方法,并利用双线性插值法计算了任意位置处的高程值。同时研究了地球表面两点之间计算距离的方法,将该方法的计算结果与GIS软件结果进行对比,验证了该方法的可靠性。在标准大气环境下,利用二维抛物方程模型仿真分析了不同距离处不同高度的电波传播传播因子的变化情况,为预测真实地理环境中的电波传播特性提供了一种有效的方法。

预测毫米波雾衰减的抛物方程模型研究

雾是影响毫米波通信系统性能的典型气象条件之一.针对传统经验模型无法精确预测多径效应下的电波传播问题,给出了基于抛物方程的雾衰减预测模型.以自由空间雾特征衰减的预测为例,将本文模型与Rayleigh近似及经验模型的计算结果进行对比,验证了该方法的可靠性.最后将该模型应用于预测35 GHz和94 GHz毫米波在分别含有平流雾和辐射雾的复杂环境中的传播特性,仿真结果表明该模型有效地反映了地形绕射、地表反射等对电波传播的影响,为快速准确地预测复杂地理环境及特殊气象条件中的电波传播特性提供了一种有效的预测模型.

复杂地理环境的图像分割及电波传播特性

复杂地理环境是电波传播不可避免的传播环境,不仅不规则地形会对电波传播产生影响,不同的地表媒质对电波传播也会产生不同的影响。为了使得电波传播特性的预测结果更加地准确有效,通过图像分割算法实现地表环境的简单分类,同时对不同的媒质赋予不同的电磁参数,并结合数字高程模型(DEM)数据,实现了既具有地形起伏信息又具有地表电磁环境参数的复杂地理环境建模。在此基础上,对地表电磁环境信息做了网格剖分处理,利用抛物方程(PE)模型对复杂地理环境下的电波传播特性进行了预测。

基于OpenMP的多辐射源二维电波传播预测方法

复杂电磁环境是当前仿真领域的热门研究问题,而多辐射源是构成复杂电磁环境的重要因素之一.传统抛物方程方法需通过多次计算以得到所有辐射源的电波传播特性,效率低下且执行繁琐.为克服该不足,提出了基于OpenMP(Open Multi Processing)的抛物方程并行计算方案.该并行方案可充分利用计算机资源,实现高效模拟多种辐射源在大尺度复杂环境中的电波传播.仿真计算表明,该并行方法可大幅提升计算速度且具有较高的并行计算效率.

太赫兹波大气衰减的抛物方程模型

抛物方程是一种模拟电波传播特性的高效模型,但目前抛物方程模型在模拟电波传播时,主要考虑大气的折射效应而忽略了其吸收作用,然而太赫兹波的大气衰减较为严重。通过引入大气分子吸收的复折射率,实现了应用抛物方程模型计算太赫兹波的大气衰减。该模型考虑了大气压强、温度和水汽密度等气象参数随高度变化对大气衰减的影响,且能够针对不同地区和季节的气象条件对大气衰减进行计算,与真实环境更加符合。最后利用该模型仿真分析了0.14 THz波的传播特性,给出了传播损耗随距离和高度的变化,并与忽略大气衰减的结果进行了对比,结果表明抛物方程模型能同时体现太赫兹的大气吸收效应和多径传播效应。

基于滑动平均和逆抛物方程的目标定位法

应用逆抛物方程法进行有源目标定位时,传播空间中的背景散射体会产生高强度的杂波,从而导致其定位精度下降或失效.针对这一问题,使用自适应滑动平均算法进行有效信号提取,研究了不规则地形和不均匀大气媒质环境中的目标定位问题,分析了定位误差和定位门限的选取.通过对离散化的回波数据进行处理,利用运动目标和背景杂波的非相干特性进行信号提取和杂波抑制.仿真结果表明:该方法与逆抛物方程定位算法相比,改善了目标位置的信号聚焦程度和信干噪比.

二阶阻抗边界条件下三维抛物方程的交替隐式差分方法研究

针对损耗地面Leontovich阻抗边界条件下,三维抛物方程CNFD方法计算效率与计算精度较低的不足,研究了二阶阻抗边界条件下三维抛物方程的ADI方法。采用ADI技术处理了二阶阻抗边界条件下的三维抛物方程,得到其差分格式;利用二阶阻抗边界条件下三维抛物方程计算了电波传播的算例。算例表明:相比Leontovich阻抗边界条件,二阶阻抗边界条件具有更广的适用范围和更高的计算精度;相比传统的CNFD方法,采用ADI技术处理三维抛物方程以及阻抗边界条件,能够在城市小区基站天线覆盖性能的模拟中极大地提高计算效率。

抛物方程中处理不规则地形的混合算法

首先应用抛物方程并结合分段线性平移变换法预测了不同倾斜角的三角形地形条件下的电波传播特性,其计算结果表明平移变换法在倾斜度较大时产生较大误差。对此提出了分段线性平移变换法与地形屏蔽法相结合的方法,基于此混合方法预测了复杂地形下的电波传播特性;并利用射线跟踪法验证了此方法的可行性。该地形混合方法综合了分段线性平移变换法和地形屏蔽法的优势,在保证计算精度的同时拓宽了复杂地形建模的适用范围。

抛物方程SSFT解法的快速算法及其应用研究

为了快速预测三维复杂环境中雷达、移动基站等的覆盖性能,提出一种三维抛物方程方法即分步傅里叶变换(SSFT)解法的快速计算方法,并给出了具体公式推导。将SSFT解法快速算法的计算结果与双射线模型以及已有的奇偶分解法进行了对比,结果表明,其与另外两种方法的结果吻合很好,且与奇偶分解法相比,计算速度提高了近1.61倍,由此验证了该快速算法的正确性和高效性。在此基础上,模拟了雷达在复杂海上环境中的电磁衰减特性,探讨了雷达探测的盲区,这将为复杂环境中雷达探测性能的评估提供一定的理论参考。

森林环境电波传播抛物方程模型的改进研究

将森林看成空气和植物组成的混合物,应用两相混合物折射模型求解了森林的等效介电常数,通过与实验结果的对比,验证了该模型的正确性.将该森林介电常数求解方法引入到抛物方程的森林模型中,改进了抛物方程的森林模型.相对于传统的森林环境电波传播模型,该模型能考虑森林各组成要素对电波传播的影响,更适合于实际不同地区、不同种类植物分布的森林环境中电波传播特性的求解.此外,引入了非均匀网格技术,有效提高了大区域森林环境中电波传播问题的求解效率.最后基于该模型仿真分析了森林的植物体积含量、重量含水量等要素对电波传播特性的影响.

蒸发波导中的时间反演抛物方程定位法

蒸发波导是一种在海面上频繁出现的多径传播环境,会引起信号畸变,导致常规算法分辨率下降,使得雷达测向测距误差加大甚至无法工作.本文提出了一种基于方向图加载的时间反演抛物方程定位算法,能够有效地处理蒸发波导效应,自适应地补偿信号畸变,形成与传播环境相匹配的、经过时间反演的电波,从而稳健地实现对目标的聚焦定位.该算法能够巧妙地利用多径效应,增大天线阵列的有效口径,得到超分辨率的效果.另外,它还对阵元间距有着较高的宽容性,这样就可以采用稀布形式,从而提高算法的实用性,增加其适用范围.仿真结果表明,对于相同口径的阵列天线,该算法使方位分辨率较自由空间提高了2倍以上;在30λ的大阵元间距下,旁瓣电平在8.96 dB以下,有效地抑制了鬼像的产生.该算法具有较强的稳健性和较高的精度,在海面通信、搜救、预警等领域有着广阔的应用前景.